考慮設(shè)備影響的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法探討

陳大為

（長安大學(xué)工程設(shè)計研究院，陜西 西安 710032）

1 概述

目前國內(nèi)外的抗震設(shè)計理論大多都是基于力的抗震設(shè)計理論。近年來的歷次較大震害也表明簡單的基于力的設(shè)計方法將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。值得注意的是，地震造成的次生災(zāi)害。如非結(jié)構(gòu)構(gòu)件墜落、設(shè)備翻倒、天然氣管道破裂等，引起的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響已經(jīng)不容忽視。

基于此，設(shè)計者可根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)防烈度、場地條件及結(jié)構(gòu)物的重要性采用不同的性能目標(biāo)及抗震構(gòu)造措施。

2 性能水準(zhǔn)與性能目標(biāo)的確定

2.1 性能水準(zhǔn)

采用基于結(jié)構(gòu)內(nèi)容物的性能設(shè)計方法，首先要確定結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)和性能指標(biāo)。性能水準(zhǔn)表示建筑物在某一特定地震設(shè)計水準(zhǔn)下預(yù)期破壞的最大程度；每一不同的性能水準(zhǔn)對應(yīng)不同的性能指標(biāo)。一般來講，建筑物的性能是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能和結(jié)構(gòu)體系的性能以及建筑內(nèi)容物的性能的組合。如圖1所示。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能和結(jié)構(gòu)體系的性能是相關(guān)的，但也出現(xiàn)的一種特殊情況是部分構(gòu)件破壞卻并沒有對結(jié)構(gòu)體系破壞有過大影響。這主要是因為該構(gòu)件對結(jié)構(gòu)體系性能的貢獻(xiàn)太有限。另一種情況是哪怕很少的構(gòu)件破壞就引起了結(jié)構(gòu)的破壞，這些構(gòu)件往往是結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，是構(gòu)成結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞一方面容易引起次生災(zāi)害，另一方面也造成修復(fù)的困難。

對常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部設(shè)備而言，地震波經(jīng)過結(jié)構(gòu)自身的過濾而不會對設(shè)備造成太大的影響。影響較大的往往是位移敏感型設(shè)備，而結(jié)構(gòu)自身也是對位移比較敏感的。所以，對位移的要求可以分為結(jié)構(gòu)自身的要求和結(jié)構(gòu)內(nèi)容物的要求。當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容物的重要性大于結(jié)構(gòu)時，應(yīng)以結(jié)構(gòu)內(nèi)容物的要求為準(zhǔn)。

現(xiàn)在設(shè)計通?？紤]結(jié)構(gòu)位移敏感型內(nèi)容物的重要性，將建筑物從出現(xiàn)裂縫至結(jié)構(gòu)倒塌劃分成以下幾個性能水準(zhǔn)（圖2）。

裂縫出現(xiàn)：是指結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土構(gòu)件開始出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)中鋼構(gòu)件也會出現(xiàn)少量的損傷。但是這些損傷是微小的，是不需要修復(fù)或者少量的修復(fù)工作就可以維持正常運(yùn)行。

結(jié)構(gòu)可修復(fù)，設(shè)備正常工作：隨著地震作用的增加，結(jié)構(gòu)及設(shè)備的損傷加劇，但是正常生產(chǎn)可以得以維持。損傷是可以修復(fù)的，修復(fù)工作有所增加，但仍在可以接受的范圍內(nèi)。

結(jié)構(gòu)可修復(fù)，設(shè)備不能正常工作：在這一階段，與結(jié)構(gòu)相連的設(shè)備開始出現(xiàn)較大程度的破壞。繼續(xù)正常工作是設(shè)備所不能接受的，而且會帶來較大的安全隱患。但由于結(jié)構(gòu)的延性及安全儲備，結(jié)構(gòu)是可以修復(fù)的，其修復(fù)費(fèi)用小于設(shè)備損壞費(fèi)用。

結(jié)構(gòu)不可修，設(shè)備不能工作：此時，設(shè)備已停止運(yùn)行，與結(jié)構(gòu)相連的管道大多破壞，但更為嚴(yán)重的是結(jié)構(gòu)因變形過大而難以修復(fù)，或者說修復(fù)費(fèi)用過高。即使修復(fù)后也不能保證結(jié)構(gòu)和設(shè)備的安全運(yùn)行，修復(fù)是不可接受的。

結(jié)構(gòu)倒塌：地震作用進(jìn)一步增加，結(jié)構(gòu)接近倒塌。結(jié)構(gòu)極有可能不能被再次使用。高空墜物等次生災(zāi)害也可能難以避免。

2.2 抗震設(shè)防水準(zhǔn)

地震設(shè)防水準(zhǔn)是指未來可能作用于建筑場地的地震作用大小。通常用某一基準(zhǔn)期內(nèi)可能發(fā)生的超越概率來表示。

圖2 結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的劃分

我國抗震規(guī)范的設(shè)防水準(zhǔn)是根據(jù)我國華北、西北和西南地區(qū)地震發(fā)生概率的統(tǒng)計分析，50年內(nèi)超越概率約為63%的地震烈度為眾值烈度，比基本烈度約低一度半，規(guī)范取為第一水準(zhǔn)烈度；50年超越概率約10%的烈度即1990年中國地震烈度區(qū)劃圖規(guī)定的地震基本烈度或新修訂的中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖規(guī)定的峰值加速度所對應(yīng)的烈度，規(guī)范取為第二水準(zhǔn)烈度；50年超越概率為2%～3%的烈度可作為罕遇地震的概率水準(zhǔn)，規(guī)范取為第三水準(zhǔn)烈度，當(dāng)基本烈度6度是為7度強(qiáng)，7度時為8度強(qiáng)，8度時為9度弱，9度時為9度強(qiáng)。

確定合理的地震設(shè)防水準(zhǔn)，應(yīng)考慮投資和未來基準(zhǔn)期內(nèi)預(yù)期的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡水平和社會影響等因素。對重要結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)破壞后造成的經(jīng)濟(jì)損失不僅僅是結(jié)構(gòu)自身，連帶損失也很巨大時，應(yīng)考慮更為全面的、嚴(yán)格的地震設(shè)防水準(zhǔn)。在此，除考慮“小震、中震、大震”外，再考慮一種“極大震”的情況?！皹O大震”在此定義為比本地區(qū)設(shè)防烈度高一度地區(qū)對應(yīng)的大震設(shè)防水平。

圖1 建筑物性能的構(gòu)成

表2 性能目標(biāo)

圖3 設(shè)計方法及步驟

聯(lián)系前述定義的性能水準(zhǔn)，可建立性能水準(zhǔn)與設(shè)防水準(zhǔn)之間的相關(guān)關(guān)系（表2）。

表中C表示基本要求，B表示提高一級的要求，A表示比B更高一級的要求，D為不可接受的。C*表示設(shè)防烈度低于8度時的基本要求，也就是說當(dāng)設(shè)防烈度低于8度時，對結(jié)構(gòu)較高的要求可以實現(xiàn)，而當(dāng)設(shè)防烈度較高時，對結(jié)構(gòu)有較高的要求實現(xiàn)起來極其困難。

3、設(shè)計步驟及方法

根據(jù)基于性能的設(shè)計的基本原理，結(jié)構(gòu)基于設(shè)備內(nèi)容物性能的抗震設(shè)計可按如下方法及步驟實施（圖3）。

結(jié)語

根據(jù)性能設(shè)計的基本原理，討論了結(jié)構(gòu)采用基于結(jié)構(gòu)內(nèi)容物性能設(shè)計的必要性及特點(diǎn)。建立了基于結(jié)構(gòu)內(nèi)容物的結(jié)構(gòu)性能設(shè)計方法，得出如下一些主要結(jié)論：

（1）對重要結(jié)構(gòu)而言，因為結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)備的重要性，采用性能設(shè)計是十分必要的，尤其是采用基于結(jié)構(gòu)內(nèi)容物的性能設(shè)計。

（2）常規(guī)的設(shè)計中，在地震作用下盡管結(jié)構(gòu)可以保證安全，但設(shè)備的安全不能得以保證，那么結(jié)構(gòu)的存在也將毫無意義。

（3）建立了結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)劃分方法，可供類似重要建筑參考使用。

（4）最后建立了基于結(jié)構(gòu)內(nèi)容物的性能設(shè)計方法及步驟，可供同類工程參考使用。

[1]白紹良等譯，鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)計[R]，國際結(jié)構(gòu)混凝土聯(lián)合會（fib）第 25號公報，重慶，2004.

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011－2010）[S]，中國建筑工業(yè)出版社，北京，2010.

[3]錢稼如,羅文斌:建筑結(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)計[J],建筑結(jié)構(gòu),2001.（31）4，3－8.

[4]程耿東，李剛，基于功能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的一些問題的探討 [J]，建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2000，21（1）.